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前言

此筆記為學(xué)習(xí)教材《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》(第7版)-謝希仁以及中國(guó)大學(xué)MOOC 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 李全龍老師的視頻所記錄的一些知識(shí)點(diǎn)

1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基本概念

什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)？

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)=通信技術(shù)+計(jì)算機(jī)技術(shù)

通信系統(tǒng)模型：

graph LR

A[信源]-->B[發(fā)送設(shè)備]
B[發(fā)送設(shè)備]-->C[信道]
D[噪聲源]-->C[信道]
C[信道]-->E[接收設(shè)備]
E[接收設(shè)備]-->F[信宿]

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是一種通信網(wǎng)絡(luò)

定義：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是互連的、自治的計(jì)算機(jī)集合。

（互連：無主從關(guān)系互聯(lián)：通過通信鏈路完成互聯(lián)互通）

主機(jī)距離遠(yuǎn)、數(shù)量大需要通過交換網(wǎng)絡(luò)互連主機(jī)

交換網(wǎng)絡(luò)中的交換節(jié)點(diǎn)：路由器或交換機(jī)

Internet組成細(xì)節(jié)角度

全球最大的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) IPS網(wǎng)絡(luò)互連的“網(wǎng)絡(luò)之網(wǎng)絡(luò)”

計(jì)算設(shè)備集合：主機(jī)(hosts)=端系統(tǒng)(end systems)

通信鏈路：光纖、銅纜、無線電、衛(wèi)星......

分組交換：轉(zhuǎn)發(fā)分組(數(shù)據(jù)包) 路由器和交換機(jī)
Internet服務(wù)角度

為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供通信服務(wù)的通信基礎(chǔ)設(shè)施：Web、VoIP、email、網(wǎng)絡(luò)游戲、電子商務(wù)...

為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供編程接口（API）：支持應(yīng)用程序“連接”Internet,發(fā)送/接收數(shù)據(jù)；提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)...

然鵝，僅有硬件（主機(jī)、通信鏈路、路由器...）連接，Internet是無法順暢運(yùn)行的（無法保證應(yīng)用數(shù)據(jù)有序交付），因此協(xié)議

什么是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要是為了讓網(wǎng)絡(luò)資源物盡其用。

協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有序運(yùn)行的重要保證
- 硬件
- 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(network protocol)，簡(jiǎn)稱協(xié)議，是為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)。

協(xié)議規(guī)定了通信實(shí)體之間所交換消息的格式、意義、排序以及針對(duì)收到信息或發(fā)生事件所采取的“動(dòng)作”。

協(xié)議的三要素
- 語(yǔ)法(Syntax)
  
  數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式
  
  信號(hào)電平(底層信息)
- 語(yǔ)義(Semantics)
  
  需要發(fā)出何種控制信息
  
  完成何種動(dòng)作以及做出何種響應(yīng)
  
  差錯(cuò)控制
- 時(shí)序(Timing)
  
  事件順序
  
  速度匹配

協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容
- 協(xié)議規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)中所有信息的發(fā)送和接收過程
  
  eg: TCP , IP , HTTP , Skype , 802.11
- 學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容之一
- 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的表現(xiàn)形式之一
- Internet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)
  - RFC：Request for Comments(權(quán)威)
  - IETF:互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force)

1.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)邊緣

主機(jī)
- 位于“網(wǎng)絡(luò)邊緣”
- 運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，例如：web，email
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
- 客戶/服務(wù)器（client/server）應(yīng)用模型
  
  客戶發(fā)送請(qǐng)求，接收服務(wù)器響應(yīng)，如：Web應(yīng)用，文件傳輸FTP應(yīng)用
- 對(duì)等(peer-peer,P2P)應(yīng)用模型
  
  無(或不僅依賴)專用服務(wù)器
  
  通信在對(duì)等實(shí)體之間直接進(jìn)行
  
  如：Skype,QQ

接入網(wǎng)絡(luò)（物理介質(zhì)）

有線或無線通信鏈路

接入網(wǎng)絡(luò)主要為將網(wǎng)絡(luò)邊緣接入核心網(wǎng)絡(luò)

接入網(wǎng)絡(luò)分為：住宅/家庭接入網(wǎng)絡(luò)；機(jī)構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)（學(xué)校企業(yè)等）；移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)

用戶關(guān)心的是：帶寬(bandwidth，bps) ；獨(dú)占/共享？

舉個(gè)栗子：

栗子一，接入網(wǎng)絡(luò)：數(shù)字用戶線路（DSL）

<center><img src="https://auto2dev.coding.net/p/ImageHostingService/d/ImageHostingService/git/raw/master/md/image-20200705191649867.png" width="50%"/></center>

1. 家庭用戶利用**已有的**電話線連接中心局的DSLAM（數(shù)據(jù)通過DSL電話線接入Internet,語(yǔ)音/電話通過DSL電話線接入電話網(wǎng)）
2. <2.5Mbps上行傳輸速率(典型速率<1Mbps)   ~上傳速度
3. <24Mbps 下行傳輸速率(典型速率<1Mbps)   ~下載速度
4. FDM(利用不同的頻帶傳輸)：50 kHz- 1MHz用于下行；4 kHz- 50kHz用于上行；0 kHz- 4kHz用于傳統(tǒng)通話；

栗子二，接入網(wǎng)絡(luò)：電纜網(wǎng)絡(luò)

<center><img src="https://auto2dev.coding.net/p/ImageHostingService/d/ImageHostingService/git/raw/master/md/image-20200705192154360.png" width="50%"/></center>

FDM頻分多路復(fù)用：在不同頻帶(載波)上傳輸不同頻道

HFC：混合光纖同軸電纜（非對(duì)稱，下行高達(dá)30Mbps傳輸速率，上行2Mbps傳輸速率）

各家庭設(shè)備通過電纜網(wǎng)絡(luò)→光纖接入ISP路由器（各家庭共享家庭至電纜頭端的接入網(wǎng)絡(luò)；不同DSL的獨(dú)占至中心局的接入）

栗子三，接入網(wǎng)絡(luò)：典型家庭網(wǎng)絡(luò)的接入

<center><img src="https://auto2dev.coding.net/p/ImageHostingService/d/ImageHostingService/git/raw/master/md/image-20200705192228414.png" width="50%"/></center>
栗子四，接入網(wǎng)絡(luò)：機(jī)構(gòu)(企業(yè))接入網(wǎng)絡(luò)

<center><img src="https://auto2dev.coding.net/p/ImageHostingService/d/ImageHostingService/git/raw/master/md/image-20200705192307888.png" width="50%"/></center>

主要用于公司、高校等組織機(jī)構(gòu) (個(gè)人或家庭也可以用)

典型傳輸速率：10Mbps,100Mbps,1Gbps,10Gbps

目前，端系統(tǒng)通常直接連接以太網(wǎng)交換機(jī)(switch)

栗子五，交換網(wǎng)絡(luò)：無線接入網(wǎng)絡(luò)

通過共享接入網(wǎng)絡(luò)連接端系統(tǒng)與路由器【通過"基站（base station）"或稱為"接入點(diǎn) （access point）"】

例如，無線局域網(wǎng)(LANs)
- 同一建筑物內(nèi)(30m)
- 802.11b/g(WiFi):11Mbps\54Mbps傳輸速率
例如，廣域無線接入
- 通過電信運(yùn)營(yíng)商（蜂窩網(wǎng)），接入范圍幾十公里
- 帶寬：1Mbps、10Mbps、100Mbps
- 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)核心（核心網(wǎng)絡(luò)）

互聯(lián)的路由器（或分組轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備）
網(wǎng)絡(luò)之網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)核心的關(guān)鍵功能是：路由+轉(zhuǎn)發(fā)

網(wǎng)絡(luò)核心解決的基本問題是：用數(shù)據(jù)交換的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)核心送達(dá)目的主機(jī)

Internet結(jié)構(gòu)

端系統(tǒng)通過接入ISP（access ISPs）連接到Internet，例如家庭、公司和大學(xué)ISPs

接入ISP必須進(jìn)一步互聯(lián)（這樣任意兩個(gè)主機(jī)才可以互相發(fā)送分組）

構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連的網(wǎng)絡(luò)（經(jīng)濟(jì)和國(guó)家政策是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的主要驅(qū)動(dòng)力）

當(dāng)前Internet結(jié)構(gòu)無人能給出精確描述

1.3 網(wǎng)絡(luò)核心

電路交換

考慮： $N^2$ 鏈路問題，連通性，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

交換的含義：1.動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)接；2.動(dòng)態(tài)分配傳輸資源；

數(shù)據(jù)交換的類型：

電路交換
報(bào)文交換
分組交換

電路交換的特點(diǎn)
- 最典型的交換網(wǎng)絡(luò)：電話網(wǎng)絡(luò)
<center><img src="https://auto2dev.coding.net/p/ImageHostingService/d/ImageHostingService/git/raw/master/md/image-20200705235934426.png" width="50%"/></center>
電路交換的三個(gè)階段:
1. 建立連接（呼叫/電路建立）
2. 通信
3. 釋放連接（拆除電路）
獨(dú)占資源（釋放連接之后電路資源才可被第三方占有）

【然而電路交換網(wǎng)絡(luò)中，每條電路不是獨(dú)占其經(jīng)過的物理鏈路的，至于電路交換網(wǎng)絡(luò)如何實(shí)現(xiàn)鏈路共享，這又扯到多路復(fù)用】

多路復(fù)用

多路復(fù)用(multiplexing)，簡(jiǎn)稱復(fù)用，是通信技術(shù)中的基本概念。

多路復(fù)用：鏈路/網(wǎng)絡(luò)資源（如帶寬）劃分為“資源片”
- 將資源片分配給各路“呼叫”（calls）
- 每路呼叫獨(dú)占分配到的資源片進(jìn)行通信
- 資源片可能“閑置”（idle）(無共享)
典型多路復(fù)用方法：
- 頻分多路復(fù)用（frequency divsion multiplexing，FDM）
- 時(shí)分多路復(fù)用（time divsion multiplexing，TDM）
- 時(shí)分多路復(fù)用（Wavelength divsion multiplexing，WDM）
- 碼分多路復(fù)用（Code divsion multiplexing，CDM）

頻分多路復(fù)用（FMD）
- 頻分多路復(fù)用的個(gè)用戶占用不同的帶寬資源（這的“帶寬”是頻率帶寬（單位：Hz）而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）
- 用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶
時(shí)分多路復(fù)用（TDM）
- 時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的十分復(fù)用幀（TDM幀），每個(gè)用戶在每個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。
- 每個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長(zhǎng)度）。
- 時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用相同的頻帶寬度。
波分多路復(fù)用（WDM）

WDM的實(shí)質(zhì)是FDM
碼分多路復(fù)用（CDM）

詳細(xì)碼分多址（CDMA）
- 廣泛應(yīng)用于無線鏈路共享（如蜂窩網(wǎng)，衛(wèi)星通信等）
- 每個(gè)用戶分配一個(gè)唯一 m bit碼片序列（chipping sequence），其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示，例如：
  
  S站的碼片序列：（-1 -1 - 1 +1 +1 -1 +1 +1）
- 各用戶使用相同頻率載波，利用各自碼片序列編碼數(shù)據(jù)
- 編碼信號(hào)=（原始數(shù)據(jù)） $\times$ (碼片序列)
  
  如發(fā)送比特 1 （+1），則發(fā)送自己的m bit 碼片序列
  
  如發(fā)送比特 0 （-1），則發(fā)送自己的m bit 碼片序列的反碼
- 各用戶序列相互正交（orthogonal）
  
  $\frac{1}{m} S_0 \cdot S_j = \left \{ \begin{aligned} 1, i=j \\\\ 0, i \not = j \end{aligned} \right. \\\\ \frac{1}{m} S_0 \cdot S_j = \left \{ \begin{aligned} -1, i=j \\\\ 0, i \not = j \end{aligned} \right.$
  
  此用于判斷是否為用戶自己的碼片序列，令 $d_i$ 為原始數(shù)據(jù)序列，各用戶的疊加向量為：
$P = \sum_{i=1}^N d_i \cdot S_i = \sum_{i=1}^N \overset{(-)} S_i$

解碼：碼片序列與編碼信號(hào)的內(nèi)積

$\frac{1}{m} S_i \cdot P = \left \{ \begin{aligned} &1, & S_i \in j \\ &-1,& \overset{-} S_i \in P \\ &0, & S_i,\overset{-} S_i \not \in P \end{aligned} \right.$

例題：站點(diǎn)A、B、C通過CDMA共享鏈路，A、B、C的碼片序列（chipping sequence）分別是（1,1,1,1）、（1，-1,1，-1）和（1，1,-1，-1），若C從鏈路上收到的序列是（2,0,2,0,0，-2,0，-2,0,2,0,2），則C收到A發(fā)送的數(shù)據(jù)是（）

A.000

B.101

C.110

D.111

正確答案是 B

C接收到的是A，B發(fā)送過來的疊加碼片，C想要看A發(fā)送的數(shù)據(jù)，就將接收到的疊加碼片與A的碼片序列進(jìn)行規(guī)格化內(nèi)積操作：（2，0，2，0；0，-2，0，-2；0，2，0，2）每四位與（1，1，1，1）進(jìn)行規(guī)格化內(nèi)積，（2 * 1+0 * 1+2 * 1+0 * 1)/4=1;（0 * 1+2 * 1+0 * 1+2 * 1)/4=-1，-1即0;（0 * 1+2 * 1+0 * 1+2 * 1)/4=1;可以得到結(jié)果101

報(bào)文交換與分組交換

報(bào)文交換（message switching）

報(bào)文：源（應(yīng)用）發(fā)送信息整體，比如一個(gè)文件

<center><img src="https://auto2dev.coding.net/p/ImageHostingService/d/ImageHostingService/git/raw/master/md/image-20200706064307886.png" width="50%"/></center>

分組交換（package switching）

分組：報(bào)文拆出來的一系列相對(duì)較小的數(shù)據(jù)包（由頭+數(shù)據(jù)包構(gòu)成）

<center><svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" width="54" height="20"><linearGradient id="s" x2="0" y2="100%"><stop offset="0" stop-color="#bbb" stop-opacity=".1"/><stop offset="1" stop-opacity=".1"/></linearGradient><clipPath id="r"><rect width="54" height="20" rx="3" fill="#fff"/></clipPath><g clip-path="url(#r)"><rect width="21" height="20" fill="#555"/><rect x="21" width="33" height="20" fill="#4c1"/><rect width="54" height="20" fill="url(#s)"/></g><g fill="#fff" text-anchor="middle" font-family="Verdana,Geneva,DejaVu Sans,sans-serif" text-rendering="geometricPrecision" font-size="110"><text x="115" y="150" fill="#010101" fill-opacity=".3" transform="scale(.1)" textLength="110">頭</text><text x="115" y="140" transform="scale(.1)" textLength="110">頭</text><text x="365" y="150" fill="#010101" fill-opacity=".3" transform="scale(.1)" textLength="230">數(shù)據(jù)</text><text x="365" y="140" transform="scale(.1)" textLength="230">數(shù)據(jù)</text></g></svg></center>

分組交換需要報(bào)文的拆分與重組

產(chǎn)生額外開銷

<center><img src="https://auto2dev.coding.net/p/ImageHostingService/d/ImageHostingService/git/raw/master/md/image-20200706064427056.png" width="50%"/></center>

A&B分組序列不確定（不是事先分配好的），按需共享鏈路（A與B總共帶寬是1.5Mb/s）

【PS: “Mbps”，其全稱為Million bits per second，意為每秒傳輸百萬位（比特）， Mbps=Mb/s ；MB表示Million Bytes（百萬字節(jié)）。】

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā) （store-and-forward）
- 報(bào)文交換與分組交換均采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換方式（區(qū)別：報(bào)文交換以完整報(bào)文進(jìn)行“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”）
- 分組交換以較小的分組進(jìn)行“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”

哪種交換好呢？

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學(xué)習(xí)筆記：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

學(xué)習(xí)筆記：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

前言

1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基本概念

什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)？

什么是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？

1.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)邊緣

接入網(wǎng)絡(luò)（物理介質(zhì)）

網(wǎng)絡(luò)核心（核心網(wǎng)絡(luò)）

Internet結(jié)構(gòu)

1.3 網(wǎng)絡(luò)核心

電路交換

多路復(fù)用

報(bào)文交換與分組交換

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學(xué)習(xí)筆記：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

前言

1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基本概念

什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)？

什么是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？

1.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)邊緣

接入網(wǎng)絡(luò)（物理介質(zhì)）

網(wǎng)絡(luò)核心（核心網(wǎng)絡(luò)）

Internet結(jié)構(gòu)

1.3 網(wǎng)絡(luò)核心

電路交換

多路復(fù)用

報(bào)文交換與分組交換

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